影響銅電解槽電壓因素的探討

曾紹武

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠(chǎng)，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴溪冶煉廠(chǎng)已經(jīng)成為年產(chǎn)百萬(wàn)噸陰極銅的世界第一大單個(gè)銅冶煉廠(chǎng)，電耗直接關(guān)系到我廠(chǎng)生產(chǎn)成本的高低，是銅電解生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它的好壞標(biāo)志著銅電解生產(chǎn)水平的高低，而槽電壓是影響直流電耗的重要因素，槽電壓的控制就顯得尤為重要。

直流電耗的計(jì)算公式如下：

式中：W為直流電耗（Kwh/t）；E為槽電壓（V）；η為電流效率（%）；q為金屬的電化學(xué)當(dāng)量，對(duì)于二價(jià)銅為 1.186（g/（A·h））。

槽電壓由以下幾個(gè)部分組成：

式中：E為槽電壓；φ+為陽(yáng)極電位；φ-為陰極電位；EL為電解液電壓降；Econ為導(dǎo)體上的電壓降；Ep為槽內(nèi)各接觸點(diǎn)電壓降。

由以上兩式可知，直流電耗與槽電壓成正比，與電流效率成反比。槽電壓則包括陽(yáng)極電位、陰極電位、電解液電阻所引起的電壓降、導(dǎo)體上的電壓降以及槽內(nèi)各接觸點(diǎn)的電壓降等 。一般工廠(chǎng)的電流效率都在90%～98%（國(guó)內(nèi)為95%～98%），波動(dòng)范圍不大。而槽電壓由于受電流密度、電解液成分以及溫度、陽(yáng)極組成等因素的影響而波動(dòng)范圍較大［1］，因而對(duì)陰極銅直流電耗具有更大的影響。

2 影響銅電解槽電壓因素的探討

影響槽電壓的因素很多，目前通常認(rèn)為電解液成分、電解液溫度及循環(huán)速度、電流密度、極間距、陰極斷耳和殘極率和陽(yáng)極成分等能對(duì)槽電壓產(chǎn)生影響，槽電壓包括陽(yáng)極電位、陰極電位、電解液電阻所引起的電壓降、導(dǎo)體上的電壓降以及槽內(nèi)各接觸點(diǎn)的電壓降等 ，以下根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐就這些因素對(duì)槽電壓的影響進(jìn)行分析探討。

2.1 電解液電壓降

2.1.1 電解液成分

電解液電阻隨雜質(zhì)含量升高而升高，隨酸度的增加而降低，隨銅含量增加而增大，采用低雜質(zhì)高酸低銅的電解液對(duì)降低槽電壓有利。然而電解液酸度過(guò)大會(huì)降低電解液中硫酸銅的溶解度易引起陽(yáng)極鈍化，使槽電壓急劇升高［2］。

據(jù)相關(guān)研究介紹［3］，電解液的比電導(dǎo)是對(duì)電解液導(dǎo)電性能的具體表示。研究指出，在溫度為40～70℃范圍內(nèi)，電解液主要成分為Cu2+30～60g/L、Ni2+0～30g/L、HSO100～200g/L的條件下，電解液

24的比電導(dǎo)與其成分及溫度的關(guān)系為：

式中：Cu、Ni、K分別表示Cu2+、Ni2+和H2SO4的濃度（g/L）；t為電解液溫度（℃）；r為比電導(dǎo)（S/cm）。

影響比電導(dǎo)顯著性的順序?yàn)椋毫蛩釢舛龋倦娊庖簻囟龋綨i2+濃度＞Cu2+濃度。

電解液成分因各廠(chǎng)的陽(yáng)極成分、電流密度、電解液凈化能力等電解技術(shù)條件不同而有所不同，表1是我廠(chǎng)2013～2015年電解液主要成分、溫度控制溫度范圍和直流單耗統(tǒng)計(jì)記錄。

表1 貴溪冶煉廠(chǎng)2013～2015年電解液主要成分、溫度控制溫度范圍和直流單耗統(tǒng)統(tǒng)計(jì)記錄

2.1.2 電解液溫度及循環(huán)速度

電解液溫度控制和循環(huán)速度對(duì)銅電解生產(chǎn)有重要影響。提高電解液溫度有利于降低電解液粘度，使漂浮陽(yáng)極泥容易沉降，增加各種離子的擴(kuò)散速度，減少電解液電阻，從而降低槽電壓。而過(guò)高的電解液溫度也會(huì)對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)不利影響，過(guò)高的電解液溫度會(huì)使添加劑分解速度加快，消耗能源、惡化工作環(huán)境，加劇銅在電解液中的化學(xué)溶解，使電解液含銅增加，增大電解液電阻，從而使槽電壓升高。我廠(chǎng)電解液溫度一般控制在60～65℃之間。

電解液循環(huán)速度大小主要取決于電流密度，電流密度越大，要求的循環(huán)速度越大，表2是電流密度與循環(huán)速度的一般關(guān)系［1］。

表2 電流密度與循環(huán)速度的一般關(guān)系

2.1.3 電流密度

電流密度一般是指陰極電流密度，即單位陰極板面積上通過(guò)的電流強(qiáng)度［1］。提高電流密度會(huì)使陰、陽(yáng)極電位差加大，同時(shí)電解液的電壓降、接觸點(diǎn)和導(dǎo)體上的電壓損失增加，從而增加了槽電壓［4］。

電流密度計(jì)算公式如下：

式中：Dk為陰極電流密度（A/m2）；A為通過(guò)的電流強(qiáng)度（A）；L為陰極的有效長(zhǎng)度（浸入電解液中的深度）（m）；W為陰極的寬度（m）；n為每槽裝入的陰極片數(shù)（槽內(nèi)兩端放陰極時(shí)按2n-2,否則按2n計(jì)算）。

由此式可知，在其他技術(shù)條件不變的情況下，改變通過(guò)的電流強(qiáng)度、陰極浸入電解液的深度以及每槽裝入的陰極片數(shù)都能改變電流密度，從而影響槽電壓。

我廠(chǎng)電解車(chē)間一系列2015年6月初電流由27800A降至25500A，圖1、圖2分別是5月和7月的直流單耗記錄和電效記錄，為避免降電流后直流單耗的異常波動(dòng)和計(jì)算誤差，兩個(gè)記錄時(shí)間相隔一個(gè)月。

由圖可以看出，降電流后，直流單耗明顯下降，而電效沒(méi)有明顯變化，這說(shuō)明槽電壓下降了，從而說(shuō)明降低電流強(qiáng)度可以減小槽電壓。

陰極浸入電解液后，正常寬度是不變的，而有效長(zhǎng)度則隨槽內(nèi)電解液液位高低變化，我廠(chǎng)應(yīng)對(duì)不同情況下的電銅生產(chǎn)有多個(gè)液位控制標(biāo)準(zhǔn)，每槽電解液液位高低也隨生產(chǎn)計(jì)劃在變化，陰極的有效長(zhǎng)度也在發(fā)生變化。圖3是一組16槽電解槽同一時(shí)間段相同控制條件下高液位和低液位的槽電壓記錄曲線(xiàn)。由圖可以看出電解槽內(nèi)保持高液位時(shí)，槽電壓明顯比低液位時(shí)低，說(shuō)明陰極有效長(zhǎng)度越長(zhǎng)，槽電壓越低。

圖1 5月和7月直流單耗記錄曲線(xiàn)

圖2 5月和7月電效記錄曲線(xiàn)

圖3 高液位和低液位下槽電壓記錄曲線(xiàn)

2.1.4 極間距

極間距的增大會(huì)使陰陽(yáng)極間電解液電阻增大，同時(shí)增大了陰陽(yáng)極電位差；另一方面，在電解槽尺寸不變時(shí)，極間距增大會(huì)減少陰陽(yáng)極塊數(shù)，增大電流密度。電解液電壓降與極間距、電流密度的關(guān)系如下［5］：

式中：E為電解液的電壓降（V）；Dk為陰極電流密度（A/m2）；ρ為電解液的電阻率（Ω·m）；L為極間距（m）。

因此，增大極間距會(huì)加大槽電壓。生產(chǎn)過(guò)程中，極間距不會(huì)隨意改變，不過(guò)隨著電解生產(chǎn)的進(jìn)行，陰陽(yáng)極之間距離會(huì)逐漸增大，從而加大槽電壓。我廠(chǎng)陽(yáng)極周期分前后半周期，圖4是一組16槽電解槽在相同陽(yáng)極和相同控制條件下處于陽(yáng)極前半周期和陽(yáng)極后半周期相同通電時(shí)間時(shí)的槽電壓，可以明顯看到后半周期槽電壓相對(duì)較高，這是因?yàn)楹蟀胫芷陉?yáng)極變薄，陰陽(yáng)極極間距增大，電解液電阻增大。

圖4 陽(yáng)極前后半周期槽電壓記錄曲線(xiàn)

2.2 導(dǎo)體上的電壓降

2.2.1 陰極斷耳

傳統(tǒng)工藝銅電解過(guò)程中的始極片吊耳會(huì)出現(xiàn)斷落情況，使電銅掉入電解槽內(nèi)而不參與電解反應(yīng)，導(dǎo)致陰極通電塊數(shù)減少。導(dǎo)電棒被玻璃鋼等絕緣物附著使陰極不通電也會(huì)減少陰極通電塊數(shù)。圖5是相同陽(yáng)極和工藝條件下，正常陰極塊數(shù)和減少8塊陰極的兩槽電解槽通電生產(chǎn)48h槽壓穩(wěn)定后一整天的槽壓記錄曲線(xiàn)，記錄時(shí)每隔2h記錄一次。可以看出減少陰極塊數(shù)后，槽電壓明顯升高。

圖5 正常陰極塊數(shù)和減少8塊陰極槽電壓記錄曲線(xiàn)

2.2.2 殘極率

殘極率的高低直接與成本有關(guān)，殘極率高會(huì)直接提升回爐成本，因此在生產(chǎn)過(guò)程中我們都盡量降低殘極率，但是殘極率主要與陽(yáng)極本身的物理規(guī)格和成分有關(guān)，在電解過(guò)程中一味追求低殘極率會(huì)使槽電壓急劇升高。這是因?yàn)殂~電解后期，殘極表面積已經(jīng)大幅縮小，同時(shí)由于追求低殘極率，殘極表面積進(jìn)一步減小，陽(yáng)極斷耳現(xiàn)象會(huì)大量發(fā)生，這就使得電解槽內(nèi)實(shí)際通電的陽(yáng)極有效面積大大減小，陽(yáng)極上的電流密度大大提高，槽電壓急劇升高。

我廠(chǎng)電解車(chē)間二系列采用的是ISA法工藝，正常生產(chǎn)中不存在陰極斷耳現(xiàn)象，圖6是我廠(chǎng)電解車(chē)間二系列2014年4月殘極率和陽(yáng)極斷耳數(shù)記錄曲線(xiàn)，由圖可以看出殘極率下降時(shí)殘極斷耳數(shù)增多。

圖6 二系列殘極率和陽(yáng)極斷耳數(shù)記錄曲線(xiàn)

2.2.3 陽(yáng)極成分

銅電解精煉的陽(yáng)極是一種含有多種元素的合金，在電解過(guò)程中除需要提煉的有價(jià)元素外，其他都是雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)在電解過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)變化和物相變化，對(duì)陽(yáng)極鈍化、陰極質(zhì)量、電解液凈化以及從陽(yáng)極泥中回收有價(jià)元素均有很大影響［1］，雜質(zhì)元素參與電解過(guò)程和進(jìn)入電解液都會(huì)增大電阻，使槽電壓升高，同時(shí)由于陽(yáng)極含有雜質(zhì)導(dǎo)電率大部分比銅低，增加了陽(yáng)極的電阻，也會(huì)增大槽電壓。

2.3 槽內(nèi)各接觸點(diǎn)電壓降

槽內(nèi)接觸主要是陰陽(yáng)極和導(dǎo)電排之間的接觸。對(duì)磨損嚴(yán)重的導(dǎo)電排和導(dǎo)電棒進(jìn)行更換，對(duì)導(dǎo)電棒進(jìn)行嚴(yán)格的酸洗和燙洗過(guò)程，避免有硫酸銅結(jié)晶，槽面沖水清潔接觸點(diǎn)，槽電壓降低。這是因?yàn)閷?dǎo)電棒和導(dǎo)電排破損或附有硫酸銅結(jié)晶會(huì)增加接觸點(diǎn)電阻，使槽電壓升高。而隨著電解的進(jìn)行，接觸點(diǎn)上會(huì)逐漸析出硫酸銅結(jié)晶，使接觸變壞，接觸點(diǎn)電阻增大，槽電壓升高，同時(shí)接觸點(diǎn)電阻熱增多，促使其表面生成氧化膜［6］，電阻進(jìn)一步增加，槽電壓更高，直接沖水可以清潔接觸點(diǎn)，降低槽電壓。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，實(shí)際生產(chǎn)中降低槽電壓應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）根據(jù)電解液雜質(zhì)含量調(diào)節(jié)凈液量，降低電解液中雜質(zhì)含量，維持適當(dāng)?shù)你~、酸含量。

（2）適當(dāng)提高電解液溫度、加大電解液循環(huán)速度。

（3）控制好電解液液位提放時(shí)間以減少陰極斷耳，對(duì)已斷耳的陰極及時(shí)修復(fù)，對(duì)陰極板和導(dǎo)電棒及時(shí)維護(hù)，確保陰極能正常通電。

（4）控制好適當(dāng)?shù)臍垬O率，對(duì)斷耳陽(yáng)極及時(shí)更換。

（5）減少陽(yáng)極雜質(zhì)含量，適當(dāng)調(diào)節(jié)各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)不同陽(yáng)極的搭配比例以控制電解液雜質(zhì)。

（6）槽面及時(shí)沖水清潔，提高沖水頻率和質(zhì)量，機(jī)組要確保陰極板和導(dǎo)電棒的清潔和完整無(wú)破損。

電解車(chē)間設(shè)計(jì)中降低槽電壓應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）采用大尺寸電解槽、陽(yáng)極和陰極，增大單塊陰陽(yáng)極有效面積，為生產(chǎn)中降低電流密度提供條件。

（2）加大每槽極板數(shù)，減小極間距。

（3）增大導(dǎo)電排橫截面積和斷面周長(zhǎng)，減弱生產(chǎn)過(guò)程中導(dǎo)電排的升溫，防止接觸點(diǎn)表面氧化。